Способ и устройство магнетронного распыления

 

Изобретение относится к области нанесения покрытий методом магнетронного распыления. Способ включает создание подвижного магнитного поля над поверхностью мишени электромагнитным способом, при этом над поверхностью мишени создают вращающееся магнитное поле путем подачи на электромагнитные катушки периодических напряжений переменного тока, сдвинутых по фазе друг относительно друга соответственно пространственному взаиморасположению катушек. Устройство содержит плоскую мишень и магнитную систему, состоящую из плоского магнитопровода, расположенного параллельно поверхности мишени, отдельных магнитопроводов, направленных в сторону мишени и закрепленных на плоском магнитопроводе, и электромагнитных катушек, намотанных вокруг каждого отдельного магнитопровода, причем система содержит не менее трех отдельных магнитопроводов, расположенных на равном расстоянии от центра мишени и друг от друга. Изобретение направлено на повышение равномерности распыления плоской мишени. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области нанесения покрытий методом магнетронного распыления.

Одной из важнейших задач магнетронного распыления является повышение равномерности распыления мишени. Наиболее перспективный способ решения этой задачи основан на использовании подвижного магнитного поля над поверхностью мишени. Механическое перемещение расположенной за распыляемой пластиной магнитной системы, выполненной на базе постоянных магнитов, обеспечивает равномерное распыление почти всей поверхности мишени [1]. Однако конструкции подобных магнетронных систем достаточно сложны. Применение электромагнитных катушек, намотанных вокруг центрального и периферийного магнитных полюсов, по меньшей мере один из которых представляет собой постоянный магнит, позволяет путем регулирования электрических токов в катушках изменять радиус плазменного кольца над поверхностью мишени, в результате чего происходит смещение зоны максимальной эрозии мишени, и равномерность распыления мишени между магнитными полюсами увеличивается [2]. Недостаток такой магнитной системы заключается в ограничении зоны равномерного распыления мишени и наличии нераспыленных участков на поверхности мишени над центральным и периферийным магнитными полюсами. Наиболее близкими к изобретению аналогами являются способ и устройство магнетронного распыления, основанные на регулировании электрических токов в трех электромагнитных катушках, намотанных соосно вокруг центрального и периферийного магнитопроводов, каждый из которых представляет собой направленную в сторону мишени часть общего магнитопровода и размещается над поверхностью мишени [3]. Значения токов устанавливаются такими, что ток каждой катушки формирует магнитное поле у поверхности мишени. При этом направления токов в центральной и внутренней периферийной катушках совпадают, а направление тока во внешней периферийной катушке периодически изменяется относительно направления токов в центральной и внутренней периферийной катушках. Наложение переменного магнитного поля приводит к периодической деформации магнитного поля между магнитопроводами, в результате чего происходит симметричное смещение зоны максимальной эрозии и обеспечивается равномерное распыление мишени. Основной недостаток этой магнитной системы заключается в том, что вследствие создания кольцевой зоны разряда центральная часть мишени не распыляется, и поэтому мишень выполняется в виде плоского диска с отверстием в центре, что снижает коэффициент использования материала мишени и, следовательно, повышает стоимость распыляемого материала.

Задачей изобретения является повышение равномерности распыления плоской мишени или коэффициента использования распыляемого материала. Эта задача решается путем создания подвижного магнитного поля над поверхностью мишени электромагнитным способом. При этом в отличие от прототипа над поверхностью мишени создают вращающееся магнитное поле за счет подачи на электромагнитные катушки периодических напряжений переменного тока, сдвинутых по фазе друг относительно друга соответственно пространственному взаиморасположению катушек.

Устройство магнетронного распыления включает в себя плоскую мишень и магнитную систему, состоящую из плоского магнитопровода, расположенного параллельно поверхности мишени, отдельных магнитопроводов, направленных в сторону мишени и закрепленных на плоском магнитопроводе, и электромагнитных катушек, намотанных вокруг каждого отдельного магнитопровода. При этом в отличие от прототипа магнитная система содержит не менее трех отдельных магнитопроводов, расположенных на равном расстоянии от центра мишени и друг от друга.

В результате этого при подаче на электромагнитные катушки периодических напряжений переменного тока, сдвинутых по фазе друг относительно друга соответственно пространственному взаиморасположению катушек, над поверхностью мишени между полюсными наконечниками отдельных магнитопроводов возникает вращающееся магнитное поле, которое при повороте на полный угол охватывает в равной степени всю площадь мишени, включая ее центральную часть, и обеспечивает повышение равномерности ее распыления.

Конструкция устройства с тремя отдельными магнитопроводами изображена на чертежах: на фиг. 1 - разрез по оси мишени; на фиг. 2 - вид сверху со стороны мишени, где: 1 - распыляемая пластина; 2 - полюсный наконечник; 3 - отдельный магнитопровод; 4 - плоский магнитопровод; 5 - обмотка электромагнитной катушки.

Плоский магнитопровод 4 располагается за распыляемой пластиной 1 параллельно ее поверхности и играет роль держателя для отдельных магнитопроводов 3, которые направлены в сторону мишени и закрепляются внизу на плоском магнитопроводе 4 на равном расстоянии от центра мишени и друг от друга. Полюсные наконечники 2, обеспечивающие формирование требуемой (оптимальной для данной конструкции устройства) конфигурации магнитного поля, размещаются вокруг распыляемой пластины 1 и имеют высоту, большую, чем высота мишени. Обмотки электромагнитных катушек 5 наматываются вокруг каждого отдельного магнитопровода 3.

Если к клеммам катушек присоединить внешнюю симметричную трехфазную цепь, то в катушках возникнут переменные токи, которые в свою очередь создадут три магнитных поля с магнитными индукциями B₁, B₂ и B₃. При пропорциональной зависимости магнитных индукций от токов мгновенные значения индукций фаз выразятся следующим образом: B₁= B_msinωt; где B_m - амплитуда индукции на оси каждой из катушек. Линии вектора магнитной индукции замыкаются в пространстве над поверхностью мишени между полюсными наконечниками отдельных магнитопроводов. Результирующий вектор индукции находится сложением векторов Из электротехники известно, что в этом случае результирующий вектор магнитного поля имеет постоянный модуль, равный 1,5 B_m, и равномерно вращается с угловой скоростью ω в направлении чередования токов по фазам, т.е. получается круговое вращающееся поле. Для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами токи в каких-нибудь двух катушках.

Таким образом, над всей поверхностью мишени создается вращающееся магнитное поле, которое имеет постоянную амплитуду индукции, вращается с постоянной угловой частотой и обеспечивает повышение равномерности распыления и коэффициента использования материала мишени.

Источники информации
1. Заявка ФРГ N OS 3619198, кл. C 23 C 14/34. Изобретения стран мира, вып. 70, N 8, 1988.

2. Патент США N 4971874, кл. C 23 C 14/35. Изобретения стран мира, вып. 49, N 3, 1992.

3. Патент США N 5106470, кл. C 23 C 14/35. Изобретения стран мира, вып. 49, N 11, 1993.

Формула изобретения

1. Способ магнетронного распыления, включающий создание подвижного магнитного поля над поверхностью мишени электромагнитным способом, отличающийся тем, что над поверхностью мишени создают вращающееся магнитное поле путем подачи на электромагнитные катушки периодических напряжений переменного тока, сдвинутых по фазе друг относительно друга соответственно пространственному взаиморасположению катушек.

2. Устройство магнетронного распыления, включающее плоскую мишень и магнитную систему, состоящую из плоского магнитопровода, расположенного параллельно поверхности мишени, отдельных магнитопроводов, направленных в сторону мишени и закрепленных на плоском магнитопроводе, и электромагнитных катушек, намотанных вокруг каждого отдельного магнитопровода, отличающееся тем, что система содержит не менее трех отдельных магнитопроводов, расположенных на равном расстоянии от центра мишени и друг от друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2